熱力學第一定律§2—1熱力學第一定律當量原理一、熱力學第一定律能量守恒與轉換定律：一切物質都具有能量，能量有各種不同形式，既不能消滅，也不能創(chuàng)造，但能夠從一種形式轉化為另一種形式，在轉化過程中，能量的總和保持不變，熱力學第一定律在熱力學中的應用就是能量守恒與轉換定律。能量守恒與轉換定律說明不可能制造一種不斷做功而又不供給能量的機器——這種假想的機器叫第一類永動機。因為功必須由能量轉換而來，不能無中生有地創(chuàng)造能量，而使永動機不斷地自動做功。圖1-2-1所示，設體系與外界沒有熱量的交換，那么重物下降表明外界通過葉輪對體系所做的功，擾拌作用使體系內(nèi)的氣體溫度升高，然后讓葉輪停止轉動，外界沒有對體系做功，讓熱力學體系對外放出熱量，溫度降低，最后又恢復至原來的溫度。二、熱功當量上述熱力學體系，經(jīng)過變化，起始狀態(tài)和終了狀態(tài)完全一樣，并未發(fā)生任何變化，根據(jù)熱力學第一定律，可知外界對體系所做的功必定與體系向外界散失熱量，從能量上來說，應該是相等的。但在工程上，功和熱量采取的單位不同，所以說熱和功是當量的。若以w表示重物下降時所做的功，Q表示體系向外散失的熱量，那么上述當量關系就寫成

Q=AW在SI制中，功率的單位為瓦特，簡稱瓦，以符號W表示。每秒鐘完成1焦耳的功，叫做1瓦，那么每秒鐘完成1千焦耳的功，就叫做1千瓦，以符號KW表示。因此功的單位除用牛頓米或焦耳表示外，還可用千瓦小時(KW·h)表示。1KW·h=1000×3600=36×10J=3600KJ

在工程制中，熱量的單位是千卡(Kcal)，它是1kg純水在Iatm下，溫度自14.5°C升高至15.5°C所需的熱量，而單位是千克米(kg·m)，所以公式中的換算系數(shù)A是l千克米功的熱當量，簡稱A為功熱當量，根據(jù)大量的精確實驗測出

A的倒數(shù)，即1／A=427kg·m／kcal，叫做熱功當量。在工程制中，功率的單位是馬力，以符號hp表示。每秒鐘完成75kg·m的功，叫做1馬力，因此功的單位除用千克米表示外，還用馬力小時表示所以

關于SI制與工程制之間的能量換算關系可以根據(jù)前述得到。二、熱力循環(huán)

假若熱力學體系由起始狀態(tài)經(jīng)過一系列中間狀態(tài)，最后又回到了起始狀態(tài)，這樣所形成的一個閉合過程，叫做熱力循環(huán)，或簡稱循環(huán)。在熱力循環(huán)的每一微小過程中，體系與外界可以有功的交換，也可以有熱量的交換，若體系與外界交換的功為dw，交換的熱量為dQ，那么在整個熱力循環(huán)中，體系與外界交換的凈功w。應是每一微小過程中功的dw的代數(shù)和，即

體系與外界交換的凈熱量也應該是每一微小過程中熱量dQ的代數(shù)和。即

由于體系完成了一個循環(huán)，體系的狀態(tài)沒有發(fā)生變化，所以根據(jù)熱力學第一第定律，體系與外界的換熱量和體系與外界交換的凈熱量應該相等，即

例噴氣發(fā)動機空氣與燃油的質量比為125:1，若燃油消耗量為12，燃油的發(fā)熱量為41800，燃氣從尾噴管噴出的速度為450，試求：（1）流出氣體的當量功率為多少千瓦？（2）燃油的熱能轉變?yōu)闅怏w動能的百分比解因為燃油消耗量為所以空氣的消耗量為

燃氣流出的當量功率就是燃氣出口的動能，它等于

=2552KW

燃油的熱能轉變?yōu)闅怏w的動能的百分比為§2—2熱力學第一定律的解析式

一、解析式的建立設某體系由狀態(tài)經(jīng)過過程A變化至狀態(tài)2，并且由狀態(tài)2經(jīng)過程C回到狀態(tài)1（見圖1—2—2），可得

若該體系由狀態(tài)1經(jīng)過另一過程B至狀態(tài)2，并且由狀態(tài)2仍然經(jīng)過程C又回到狀態(tài)1（見圖1—2—2)，同理可得

式上述兩式相減得或上式表示由狀態(tài)1至狀態(tài)2，不管是經(jīng)過程A或是過程B，的值都是一樣的即變化量（）與變化途徑無關，而只決定于始點和終點的狀態(tài)，因此（）應該是某一狀態(tài)參數(shù)的微分，現(xiàn)在令該參數(shù)以E表示，就可積分為起點和終點的該狀態(tài)參數(shù)之差，即或式中——過程中體系與外界之間交換的熱量。對體系加熱取正值；反之，體系向外放熱，取負值；

——過程中體系與外界之間交換的功，體系對外界的功，取正值，反之，外界對體系的做功，取負值；

——體系起始和終了兩狀態(tài)的總能量，取與功相同的單位。上式表明外界對體系的加熱量減去體系對外界所作的功，將使體系的總能量增加。上式也可寫成

該式說明外界對體系的加熱量等于體系總能量的變化，并對外界做功。對于微元過程，上式可以寫成

dQ=dE+dW這就是熱力學第一定律解析式。對于1kg工質而言，各種能量均以小寫英文字母表示其物理量，那么熱力學第一定律解析式可寫成

例4kg氣體進行狀態(tài)變化過程中，加入熱量754kJ，并做功490kJ，求這一過程中每千克氣體的能量變化合多少千卡?解每千克氣體的能量變化為

=66

=66×0.23884=15.76§2—3總能量內(nèi)能

總能量是體系在某一狀態(tài)下的全部能量。本課程只研究體系進行物理變化和化學變化的各種能量，它包括三種能量：一是體系作整體運動時的宏觀動能E

；二是在重力場中，體系位于某一高度Z的位能；三是與體系整體運動和重力場存在無關，體系內(nèi)部氣體分子作無規(guī)則運動所具有的內(nèi)部熱能U(簡稱內(nèi)能)。因此，體系的總能量E為

若體系中只有l(wèi)kg的工質，則總能量e為式中

u——內(nèi)能()

v——體系作整體運動的速度()

Z——體系距海平面的高度（m）。氣體的內(nèi)能由四部分能量所組成：分子作無規(guī)則的平移運動所具有的平移動能；多原子組成的分子作旋轉運動所具有的旋轉動能；分子內(nèi)部的原子作振動所具有的振動能；這三種能量都是溫度的函數(shù)。此外還有由于分子間的作用力所形成的位能，這能量隨分子間的距離的變化而變化，亦即決定于比容。故可知氣體的內(nèi)能決定于氣體的溫度和比容，將它們寫成數(shù)學關系式，即

溫度和比容是狀態(tài)參數(shù)，內(nèi)能也是一個狀態(tài)參數(shù)，它可以有全微分，并且內(nèi)能的變化只決定于起始和終了狀態(tài)，而與過程的途徑無關，即

根據(jù)內(nèi)能的性質，如圖1—2—3中所表示的過程A、B、C和D，它們起始和終了的兩狀態(tài)相同，所以它們的內(nèi)能變化均應相等，即

=對于完全氣體，分子之間無作用力，所以內(nèi)能中無位能，而僅有三種動能，因此，完全氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)，即只要起始和終了的溫度相同，不論其變化過程的途徑如何，完全氣體的內(nèi)能變化也都相等，圖1—2—4表示自起始狀態(tài)1(下)經(jīng)過不同的過程A、B、C和D分別達到狀態(tài)，Z、Z、Z和Z，那么

==若熱力學體系是靜止的閉口體系，即選擇氣缸內(nèi)的氣體作為研究對象，當它進行狀態(tài)變化時，氣體的宏觀動能及位能沒有變化，僅有功能的變化，因此熱力學第一定律解析式就寫成

圖1—2—1圖1-2-2圖1-2-3圖1-2-4§2—4可逆和不可逆過程一、可逆過程熱力學體系處于平衡狀態(tài)時，體系內(nèi)部的壓力和溫度均勻一致，并且也等于外界的壓力和溫度。當外界的壓力或溫度變更時，體系的平衡狀態(tài)被破壞，但經(jīng)過一定時間以后，體系重新達到另一平衡狀態(tài)，在從原來的平衡狀態(tài)到新的平衡狀態(tài)的過程中，要經(jīng)過一系列的不平衡狀態(tài)，這無法用狀態(tài)參數(shù)來描述，在壓容圖上也不能用確切的點來表示，所以更不會有狀態(tài)方程式描述其參數(shù)之間的關系。熱力學中首先假定熱力學體系處于平衡狀態(tài)，其次假定實際的變化過程是由無限接近的平衡狀態(tài)所組成的所謂平衡過程。要想達到平衡過程，必須是外界的壓力和溫度變化得很慢，這樣才能可能在任何瞬間，使外界和體系之間以及體系內(nèi)部的壓力差和溫度差都是無限小；換句話說，就是外界和體系之間或體系內(nèi)部隨時都處在力平衡和熱平衡狀態(tài)下所進行的變化過程，這樣的過程就叫平衡過程。

由于平衡狀態(tài)在壓容圖上可用—個點表示，因此，平衡過程則可用一條由這些連續(xù)的點所形成的曲線表示，如圖l—2—5(a)所示。至于不平衡過程一般不能在坐標圖上表示，但有時在起始和終了兩平衡狀態(tài)之間用虛線示意，如圖1—1—5(b)所示，工程實際中，氣缸內(nèi)的氣體分子運動的速度很快，以至于氣體的內(nèi)部很快地達到平衡狀態(tài)，整個過程也就非常接近一個平衡過程。如果體系完成某一熱力過程以后，有可能使體系沿著該過程的反方向進行變化，并且使參與過程的外界和體系一起都能各自按照相反的順序經(jīng)過正向過程的各個狀態(tài)，最后都能回到自己的原來狀態(tài)，而未使體系和外界發(fā)生任何變化，則該熱力過程就叫做可逆過程；否則，就叫做不可逆過程。例如圖1—2—6表示由工質、機器和熱源組成的體系，工質從熱源吸熱，并沿134567途徑進行平衡的膨脹過程。在這一平衡的膨脹過程中，工質對活塞作了膨脹功，若是沒有摩擦損失的理想機器，則膨脹功以動能的形式全部儲存在飛輪中，此時若利用飛輪的動能來推動活塞逆行，使工質沿276543l壓縮，則壓縮工質所消耗的功，恰與膨脹時產(chǎn)生的功相等。此外，在壓縮過程中，工質同時向熱源放熱，所放的熱量也沽與膨脹時所吸收的熱量相等。由此可見，當工質恢復到原來狀態(tài)1時，機器與熱源也都恢復到原來的狀態(tài)，過程所牽涉到整個體系全部都恢復到原來的狀態(tài)而不留下任何變化，這樣的一個變化過程，就是可逆過程。若圖l—2—6表示的體系所進行的是不平衡的膨脹過程，那么工質的作用力大于外界的反抗力，工質所做的膨脹功顯然大于飛輪所獲得的動能，利用這動能顯然不足以壓縮工質使之沿原來的路程2765431恢復到原狀態(tài)，為了使壓縮工質沿原路程恢復到起始狀態(tài)，勢必要由外界供給額外的功。此外，由于熱的不平衡，工質在吸熱時；工質的溫度隨時都低于熱源的溫度，而當逆向進行時，溫度較低的工質就不可能把先前所吸收的熱量全部交還給熱源，而是有一部分熱量必須向另一溫度更低的熱源放熱。二、不可逆過程當工質進行了一個不平衡過程以后，必定產(chǎn)生一些不可逆復的后遺效果，而多消耗了外界所供給的功，并使之轉化成熱能，同時將高溫熱源的熱能轉移至低溫熱源，所有這些都不能使過程所牽涉的整個體系全部恢復到原來狀態(tài)。所以這樣的一個不平衡過程也是一個不可逆過程。有摩擦存在的過程也是不可逆的。因為在正向過程氣體的膨脹功。有一部分消耗了摩擦而變?yōu)闊幔诜聪蜻^程中，不僅不能把正向過程的由摩擦變成的熱量再轉化回來變成功，而且還要消耗摩擦功而變成熱量，所以有摩擦的過程也是不可逆過程。三、可逆過程必須滿足的條件1、熱平衡2、力平衡3、沒有摩擦在實際過程中，很少能滿足力平衡、熱平衡以及沒有摩擦這三個條件，所以，一切的實際過程都是不可逆過程。不可逆過程必將引起的一些后遺效果意味著熱力學上的損失，而可逆則是一個不引起任何熱力學損失的理想過程，所以可逆過程比較簡單，它有助于理論上的分析研究和計算簡便。在熱力學中主要是研究可逆過程。§2—5容積功(膨脹功或壓縮功)一、容積功圖1—2—7所示的氣缸內(nèi)的氣體氣體進行可逆的膨脹時，氣缸內(nèi)的氣體壓力為P，若活塞面積為A，則氣體作用于活塞上的總力為PA，當活塞向右移動一微小距離dx時，氣體對活塞所做的功為氣體膨脹時，容積功為正，叫膨脹功；，氣體被壓縮時，容積功為負，叫壓縮功。由于功和容積為廣延量，所以其中m為氣缸內(nèi)氣體質量，1kg氣體所做的容積功

活塞從位置1移動到位置2，該過程的容積功為在已知起始和終了的狀態(tài)參數(shù)及壓力與比容的關系以后，就可以積分，并得出容積功的數(shù)值。的關系式不同，所求得的功的數(shù)值也就不同。另外，在壓容圖上，pdv用狹長條陰影面積表示，那么，過程1—2氣體所做的容積功就是過程1-2下面的面積12341。過程線1-2不同，該面積也就不同，這就說明氣體容積功不僅決定起始和終點狀態(tài)，而且還與過程的性質有關，所以容積功是過程量，而不是狀態(tài)量，僅代表過程中的功，而不是全微分的符號，不能寫成()而只能寫成。只有可逆過程才可以用此公式來計算氣體對外所做的容積功。公式中的氣體壓力是指氣體的絕對壓力，在以后的公式中，都是如此。若是不可逆過程，工程壓力隨比容變化關系無法確定，因而也就無法去計算容積功。

例氣缸內(nèi)的氣體壓力按玻義耳—馬略特定律。Pv=常數(shù)的規(guī)律進行變化，試求其中氣體由狀態(tài)1變化至狀態(tài)2的容積功。解因pv=常數(shù)，故pv=常數(shù)／v，代人式(1—2—9)即得1kg氣體的容積功為氣體膨脹時，v>v由上式求出的為正值；反之，氣體壓縮時，v<v，求出的即為負值。對可逆過程而言，熱力學第一定律解析式

或容積功與過程的性質有關，內(nèi)能與過程性質無關，內(nèi)能的改變和容積功的總和所代表的熱量也必定與過程的性質有關所以換熱量不僅決定于氣體的起始和終了狀態(tài)，而且還與氣體的變化過程有關，所以和一樣，不是狀態(tài)量，而是過程量，僅代表過程中的熱量，而不是全微分的符號，所以也不能寫成而只能寫成。圖1-2-5圖1-2-6圖1-2-7§2—6焓和熵一、焓熱力學第一定律的解析式中，除了用內(nèi)能這一狀態(tài)參數(shù)表示外，有時還用焓這一狀態(tài)參數(shù)來來代替u和pv兩項，這不僅可以簡化方程式，而且還有助于熱力計算。狀態(tài)參數(shù)焓以符號I表示，它被定義為

I=U+PV

對于1kg工質，則

i=u+pv

由于內(nèi)能u，壓力P和比容v都是狀態(tài)參數(shù)，所以由上式可知，h也是一個狀態(tài)參數(shù)。因此，兩狀態(tài)之間焓的變化為

焓與內(nèi)能一樣，都具有相同的單位，在SI制中，i和v的單位都是干焦每千克()，而在工程制中都是千卡每千克()。

因為氣體的內(nèi)能是溫度和比容的函數(shù)，而壓力、比容和溫度又有一定的關系，因此，焓可用其中任意兩個參數(shù)的函數(shù)來表示，通常用T、P的函數(shù)式，即對于完全氣體，內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)，又因,所以完全氣體的焓也僅是溫度的函數(shù)，即

對上式微分之，得對于可逆過程，上式可寫成

或

或兩式是熱力學第一定律解析式的另一形式。二、熵熵是從研究卡諾循環(huán)與熱力學第二定律中經(jīng)過數(shù)學理論的分析推導出來的一個新的狀態(tài)參數(shù)。現(xiàn)在只就完全氣體從數(shù)學式子定義這個狀態(tài)參數(shù)——熵。熵不僅在熱工計算及熱力循環(huán)的分析中有很重要的用處，而且在說明過程的不可逆性具有獨到之處。與壓力、溫度等狀態(tài)參數(shù)不同，熵是無法用任何儀表直接測量出來，而只能利用兩個基本狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值間接計算出來。在任意可逆過程中，氣體的溫度隨著與外界交換能量的情況在逐漸變化著，將這個可逆過程分為許多微元過程，設每一微元過程所交換的微熱量為dq；那么在這一過程內(nèi)進行換熱時，可以認為氣體的熱力學溫度T是不變的。取氣體與外界交換的熱量dq除以當時氣體的熱力學溫度所得到的熵，就定義為微元熵，以符號ds表示，即

或在已知T與S的函數(shù)關系以后，上式便可積分，因而得出狀態(tài)1至狀態(tài)2所交換的熱量

熵的單位是焦爾每千克開爾()。熵與內(nèi)能及焓一樣，都是狀態(tài)參數(shù)，只要氣體的狀態(tài)一定，那么該狀態(tài)下的熵值也就一定；起始狀態(tài)和終了狀態(tài)之間的熵值變化只與起始和終了狀態(tài)有關，而與變化過程所經(jīng)過的途徑無關。§2—7氣體的比熱容熱量的計算一、比熱容的定義和單位1、熱容量物質的溫度升高(或降低)1℃需要加入(或放出)的熱量，叫做該物質的熱容量。2、比熱容（比熱）單位數(shù)量物質的熱容量叫做物質的比熱容，簡稱比熱。質量為m千克的物質，在任意微小過程中加進的熱量為dQ，使溫度由T升高至T+dT，那么該物質在溫度為T時的質量比熱容C為

這個比熱容叫做真實比熱容，式中如是微元過程中向質量為1kg的物質所加入的熱量，是一個過程量，并不是全微分，所以只是一個比值，并不是q對T的導數(shù)。在SI制中，質量比熱容的單位是焦爾每千克開爾文()，在工程制中，質量比熱容的單位為卡每千克攝氏度()

二、定容比熱容和定壓比熱容

1、定容比熱容2、定壓比熱容定容比熱容可以表示為容積保持不變時，內(nèi)能對溫度的變化率。完全氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)，所以完全氣體的定容比熱容亦只是溫度的函數(shù)。得或定容過程的內(nèi)能變化量是由于定容加熱量所引起的，只決定于起始和終了溫度。故有

若Cv=常數(shù)，則完全氣體的內(nèi)能變化為根據(jù)熱力學第一定律解析式得即定壓比熱容還可能表示為壓力保持不變時，焓對溫度的變化率。完全氣體的焓僅是溫度的函數(shù)，所以完全氣體的Cp亦只是溫度的函數(shù)。且或

完全氣體焓的變化也只決定于起始和終了溫度。即若CP=常數(shù)，則完全氣體的焓變化為

當CP=常數(shù)時，有

對于完全氣體，由于內(nèi)能僅僅是溫度的函數(shù)，那么當溫度不變時，體積的改變或者是壓力的改變都不會引起內(nèi)能的變化，數(shù)學上可以表示為

因此，完全氣體的內(nèi)能對溫度的導數(shù)，便是全導數(shù)，即

由可得

完全氣體的定壓比熱容和定容比熱容的關系式為

上式又叫梅耶公式，因為R>0，故Cp>Cv。它可以這樣理解：在定容下使1kg氣體溫度升高1K時，需消耗的熱量，這熱量全部用來增加氣體的內(nèi)能；

定壓比熱與定容比熱的比值，叫做比熱比或絕熱指數(shù)或定熵指數(shù)，以符號k表示，即 所以例按表1-2-1所列的定值比熱容，求氧氣的定容質量比熱容和定壓質量比熱容解由于氧氣是雙原子氣體，因此可知氧氣的氧氣的分子量=32．00，故得氧氣的三、應用比熱窖計算熱量根據(jù)真實比熱容的定義式，可知過程的熱量為

當比熱容為定值時，則這在溫度不太高或溫度范圍不太大的情況下或作一般估算時，還有足夠的精確度，但在溫度較高或溫度范圍比較大的情況下，用定值比熱容計算熱量與實際情況就有較大的誤差，這是因為比熱容并不是定值，而是隨氣體的壓力和溫度而變化的，除實際氣體以外，壓力對完全氣體的比熱并投有影響，而溫度對比熱容的影響則比較密切。根據(jù)比熱容理論及許多實驗數(shù)據(jù)，一般是溫度越高，比熱數(shù)值越大。§2—4伯努利方程

能量方程解決了流動氣體能量的轉換關系問題。但是方程中既含有機械能，又含有熱能，且不顯含損失功。在實際應用中，有時只希望討論機械能之間的轉換和求解損失功的大小問題，這時，用能量方程就不方便了。伯努利方程就是用機械能形式寫出來的能量方程。下面我們就來研究伯努利方程。一、伯努利方程的推導

要得到機械能形式表示的能量方程，就需要把能量方程中以熱能形式出現(xiàn)的項，用適當?shù)臋C械能形式的項來代替。熱力學第一定律提供了這種可能性。因為熱力學第一定律的解析式正是表達了熱與功相互轉換的數(shù)量關系。將這一解析式應用于能量方程，便可得到伯努利方程。下面來推導伯努利方程。一般形式的能量方程為將方程寫成微分形式（1）由熱力學第一定律知（2）將（2）式代入（1）式并忽略位能的變化，整理得或這就是微分形式的伯努利方程。對上式積分得這就是積分形式的伯努利方程。同能量方程一樣，如果氣體對外做功，則項前應取負號，因此伯努力方程可綜合寫成

對于無粘不可壓流體(即理想不可壓流體)，常數(shù)，并沿流管積分得或上式為理想不可壓流體的伯努利方程，或稱低速能量方程。其中為靜壓；為動壓，記為稱為總壓(或全壓)。該方程表明，理想不可壓流體，沿著流管其全壓

保持不變。當流速增大時，動壓增大，靜壓減少；反之亦然。

二、伯努利方程的應用

發(fā)動機工作時，壓縮器對氣體做功，燃氣對渦輪做功等，均可應用伯努利方程作定量分析。另外，空速表測速原理也是伯努利方程的具體應用。（一）求壓縮器功

在壓縮器中，壓縮器對氣體做功，機械能前應取正號，故有為了了解上式的物理意義，應先弄清代表什么?顯然

的值是與過程的性質有關的。過程不同，的變化就不同，的值也產(chǎn)不同。為使論論具有普遍性，下面以多變過程來研究的物理意義。由于是多變過程，所以上式也可寫成，由工程熱力學知，

這一項表示多變壓縮過程中，壓縮1千克靜止氣體所耗費的功；

表示推動1千克流動氣體所耗費的推動功。二者之和

就表示多變壓縮過程中，壓縮1千克流動氣體所耗費的功，簡稱多變壓縮功，用表示。

從積分的概念得知：等于壓容圖上面積

見圖(2—2—7)，即多變過程曲線1—2與縱坐標軸所包圍的面積。另外，還可以看出=面積。常常用壓力比的形式表示，將以及代入上式得

至此，可以利用上式說明，得上式表明，壓縮器對1千克氣體所作的功，一部分用來提高氣體的壓力，另一部分用來增加氣體的功能，還有一部分消耗于損失。（二）求輪緣功

在渦輪中，氣體對工作葉輪作功，機械功應取負號。故伯努利方程可寫為變換后得與討論壓縮功一樣，也要弄清代表什么。對多變過程積分，并考慮到積分上下限為，可得

或可以看出，

是表示多變膨脹過程中，1千克靜止氣體膨脹所作的功，而是表示1千克流動氣體所作的推動功，則

就表示1千克流動氣體在多變膨脹后所發(fā)出的功，簡稱多變膨脹功，以表示。

在壓容圖上用面積

表示(如圖2—2—8所示)。也可以用壓力比的形式表示為了使上式表示的物理意義更清楚，把它改寫成為由此可見，1千克流動氣體膨脹后所發(fā)出的功，用來對渦輪工作葉輪作機械功，增大氣體的動能和消耗于損失。（三）空速表測速原理

飛行速度是由空速管、空速表系統(tǒng)來測量和指示的。空速表上的粗針指示飛行表速，細針指示飛行真速，如圖2—2—9所示，其原理如下。

空速管上有兩種孔，側壁上一排孔叫靜壓孔，它感受大氣靜壓

，并通過導管與開口膜盒外部相通；空速管前端的孔叫全壓孔，用來感受總壓

，并通過導管和空速表的開口膜盒內(nèi)腔相通。這樣，膜盒內(nèi)外壓強就是動壓q。當飛機在海平面飛行時，膜盒內(nèi)外的壓強差為

膜盒在此壓強差作用下膨脹，帶動空速表粗針轉動，指示飛機表速，用符號

表示。表速并不是真正的飛行速度，這是因為刻度盤所表示的表速大小是根據(jù)動壓和海平面的密度

之間的關系

而確定的，所以，粗針所轉動的角度是隨動壓q的大小而增減的。

如果飛行高度升高，飛行速度不變，此時，由于大氣密度減小，動壓下降膜盒收縮，空速表粗針所轉動的角度減小，指示的表速也隨之減小。因此，表速只能反映飛行中動壓的大小和海平面的飛行速度，并不能指示任一高的飛行真速。

飛行真速是由空速表中細針指示的。細針的轉動角度除了受開口膜盒控制外，還受真空膜盒的控制。當飛行高度增高時，真空膜盒膨脹，帶動細針多偏一個角度，指示出飛行真速。飛行表速和真速之間有一定的換算關系，根據(jù)得到

上式表明，在海平面飛行時，真速等于表速；飛行高度增加，真速要大于表速。表速和真速的指示都很重要，缺一不可。表速指示對飛行員的操縱起重要作用。例如，表速大，動壓大，意味著飛機的局部載荷大。

為了防止飛機的結構遭到破壞，應規(guī)定最大限制表速，如殲七飛機的最大限制表速為1200公里/時。表速小，間接說明飛機的迎角大，為了不使飛機超過失速迎角，也規(guī)定最小限制表速，如殲七飛機的最小限制表速為215公里/時。而真速指示對飛行員按規(guī)定速度飛行和進行領航計算也是必不可少的。圖2—2—7多變壓縮功圖2—2—8多變膨脹功圖2—2—9空速管和空速表氣體的熱力過程

熱力發(fā)動機中熱能和機械能的相互轉換是通過工質的狀態(tài)變化過程實現(xiàn)的。研究熱力過程才可以弄清楚熱能和機械能的實際轉換情況和影響它們轉換的因素。

§3—1分析熱力過程的目的、方法和內(nèi)容

分析熱力過程時，作如下簡化假定：(1)氣體的狀態(tài)變化過程是一個可逆過程；(2)氣體是完全氣體。即在任一平衡狀態(tài)下，其參數(shù)關系符合完全氣體的狀態(tài)方程式；(3)比熱容是常數(shù)，即比熱容不隨溫度而變化。(4)實際過程近似地看作是具有某一簡單特征的一個特殊過程。分析熱力過程的主要內(nèi)容是：(1)建立工質在熱力過程中狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律：根據(jù)過程進行的特點，在符合狀態(tài)方程及熱力學定律解析式的條件下，求出狀態(tài)參數(shù)之間變化關系——過程方程式。(2)確定工質在熱力過程中能量變換特性：計算過程中內(nèi)能的變化、焓的變化和工質與外界之間所交換的熱量和功。§3—2等容過程一、過程的定義等容過程是指氣體在容積不變或比容保持不變的條件下進行的熱力過程。活塞式發(fā)動機和脈動式噴氣發(fā)動機的燃燒過程就近似于等容過程。圖1—3—1(a)表示等容加熱過程，其中活塞不動。二、過程特點

V=常數(shù)或ν=常數(shù)三、過程方程或

說明：

在等容過程中，氣體的壓力與熱力學溫度成正比，當對氣體加熱時，溫度升高，壓力增大，氣體放熱，溫度降低，壓力減少。四、過程曲線圖1—3—1（b）和圖1—3—1（c）即在P—v圖上是一條與v軸相垂直的直線；在T—s圖上是一條指數(shù)曲線，且斜率隨溫度的升高而增大，亦即溫度越高，曲線的斜率在T—s圖中越陡峭。五、過程能量交換情況1、容積功V=0常數(shù)或dv=0，所以不論是加熱或放熱，氣體對外均不做容功，即2、內(nèi)能的變化量3、換熱量例：氣缸內(nèi)有0.002kg空氣，溫度為300℃，壓力為8bar，定容加熱后的壓力為40bar，求加熱后的溫度，加給空氣的熱量，設空氣的等容比熱為0.718解已知T=273＋300=573K,=8bar

=40bar

得加熱后的空氣溫度為加熱量為

例某完全氣體的定壓比熱容為2.2，分子量為16.04。該氣體8kg在等容條件下自17℃加熱至187℃，求該氣體的(1)容積功（2）焓的變化(3)換熱量。解：(1)因為V=常數(shù)所以容積功

(2)焓的變化

(3)換熱量正號表示對該氣體加熱。§3—3等壓過程一、過程的定義氣體在壓力保持不變的條件下進行的熱力過程。有些活塞式柴油機及渦輪噴氣發(fā)動機的燃燒過程，壓力變化很小，近似于定壓加熱。圖1—3—2(a)

。二、過程特點

P=常數(shù)三、過程方程式

說明：在定壓過程中，氣體的比容與熱力學溫度成正比；對氣體加熱，溫度升高，比容增大，氣體放熱，溫度降低，比容減小。

四、過程曲線P—V圖如圖1—3—2(b)所示；T—s圖如圖1—3—2(c)

所示。即在P—v圖上是一條與P軸相垂直的直線；在T—s圖上是一條指數(shù)曲線，且斜率隨溫度的升高而增大，亦即溫度越高，曲線的斜率在T—s圖中越陡峭。五、能量交換情況1、容積功2、內(nèi)能的變化量

3、換熱量

例壓力為8bar，溫度為327℃的空氣進入燃燒室內(nèi)定壓加熱，使其溫度升高到927℃。設燃氣的定壓比熱容燃氣的氣體常數(shù)，求(1)燃燒前后氣體的比容(2)每千克氣體的加熱量(3)膨脹功(4)內(nèi)能的變化量解(1)燃燒前的比容(2)燃燒后的比容(3)每千克氣體的加熱量(4)每千克氣體的容積功(5)每千克氣體的內(nèi)能變化量

=（1.157－0.287）（1200－600）

=522例開始時活塞汽缸的體積為0.1m，其中有壓力為1.15bar的空氣0.1kg,若在壓力不變的情況下,體積縮小為原來的75%,求終點的溫度,變化過程中換熱量的大小和方向。解開始時，空氣的溫度由完全氣體方程可得終了時，空氣的溫度按定壓過程的關系式可得取=常數(shù)，即，故

負號表示對外界放熱。§3—4等溫過程

一、過程的定義氣體在溫度保持不變的條件下進行的加熱或放熱過程。在充分冷卻，并且運轉速度比較慢的壓氣機的壓縮過程是接近等溫過程的。在研究發(fā)動機循環(huán)的經(jīng)濟性及理解其它過程的有關性質時，等溫過程具有一定的指導意義。二、過程特點

T=常數(shù)

三、過程方程對于完全氣體，根據(jù)狀態(tài)方程式，得等溫過程的方程式為

或說明：在等溫過程中，氣體的壓力和比容成反比。等溫膨脹過程，比容增大，壓力降低；等溫壓縮過程，比容減小，壓力升高。

四、過程曲線P—v圖為雙曲線；如圖l—3—3(a)五、能量交換情況1、容積功2、內(nèi)能du=0或u1=u2di=0或i1=i23、換熱量例壓力為lbar，溫度為290K的1kg空氣，在氣缸內(nèi)進行定溫壓縮，設終了狀態(tài)的壓力為6bar，求起始和終了的比容，氣體與外界交換的熱量。解起始狀態(tài)的比容終了狀態(tài)的比容因故負號表示氣體向外界放熱。圖1-3-3（b）§3—5可逆絕熱過程(定熵過程)

一、過程的定義可逆絕熱過程又叫定熵過程。所謂絕熱過程乃是氣體在和外界沒有熱量交換的條件下進行的熱力過程。當過程進行得很快時，工質與外界還來不及與外界交換熱量或者是交換熱量很少，則可近似地看作絕熱過程。渦輪噴氣發(fā)動機的壓氣機內(nèi)空氣的壓縮過程，燃氣在渦輪內(nèi)和尾噴管內(nèi)進行的膨脹過程，都可近似地看作絕熱過程。

二、過程特點在可逆絕熱過程中，不僅氣體與外界交換的總熱量為零，而且在過程進行的每一微元段與外界交換的熱量也是零，所以可逆絕熱過程是和q=0可逆絕熱過程就是定熵過程，在定熵過程中，氣體的溫度、壓力、比容都發(fā)生變化，它們之間的變化規(guī)律比較復雜。

可逆絕熱過程就是定熵過程，既然過程中的熵值不變，所以該過程在T—S圖上是一根與S坐標軸相垂真的直線。如圖1—3—7(b)所示。在定熵過程中，氣體的溫度、壓力、比容都發(fā)生變化，它們之間的變化規(guī)律比較復雜，可以利用前述的公式求得。三、過程方程因為

即由于故上式可寫成取比熱為常數(shù)，并對上式積分，得

或

該過程在P—v圖上是以P軸和v軸為漸近線的高次雙曲線，如圖1—3—7(a)所示。由于

表明定熵線比定溫過程線要陡峭一些。過程中起始狀態(tài)和終了狀態(tài)之間的參數(shù)關系為

五、能量轉換情況因為或所以氣體的容積功為

=

根據(jù)給定的參數(shù)值，選擇其中之一即可計算容積功。初參數(shù)的數(shù)值越大，溫差越大，或起始與終了的壓力比越大，則容積功越大。氣體膨脹時，，從式(1—3—19a)和(1—3—19b)計算出來的功的數(shù)值為正，這與原先規(guī)定膨脹功為正是一致的，反之，壓縮時，計算出來的功的數(shù)值必定為負值。絕熱過程的容積功也可根據(jù)熱力學第一定律解析式得出因為是絕熱過程，有

q=0所以例溫度為10℃，壓力為1.1bar的空氣，經(jīng)過可逆絕熱壓縮后，容積縮小為原來的1／7，求壓縮終了時空氣的壓力，溫度和壓縮1kg空氣所消耗的容積功。解：已知則空氣的終壓力空氣的終溫度為絕熱容積功為

功的負號表示壓縮功。§3—6多變過程前述四個過程是一些特殊的熱力過程，在每個過程中都有一個狀態(tài)參數(shù)保持不變：在定壓過程中，壓力保持不變；定熵過程，熵值保持不變，等等。在一般情況下，任意一個過程往往是所有狀態(tài)參數(shù)都要變化，但是它們的規(guī)律仍然遵循著一定的規(guī)律，即按下述多變過程式進行變化

式中n叫做多變指數(shù)，在一定的多變過程中，n保持為一定值：當時，，即為定壓過程；當時，，即為定溫過程；當時，，即為絕熱過程； 當時，，可寫成故，即為定容過程。多變過程在P—v

圖和T—S圖上的曲線形狀和位置，依據(jù)多變指數(shù)的數(shù)值而定。如圖1—3—8所示。

根據(jù)這些線的位置，通過邏輯推理，不難看出多變過程在P—v圖和T—S圖上的圖線分布也有著一定的規(guī)律，從所表示的定容線開始，按順時針方向看去：當時，多變線位于定容線和定壓線之間；當時，多變線位于定壓線和定溫線之間；當時，多變線位于定溫線和定熵線之間；當時，多變線位于定熵線和定容線之間。多變過程的基本參數(shù)之間的關系式如下：

兩狀態(tài)之間的參數(shù)關系為類似得多變過程的容積功為

多變過程中內(nèi)能變化為多變過程中的熱量為

如前所述，多變指數(shù)確定后，該過程在P—v圖和T—S圖上的位置就已確定，其參數(shù)變化情況從圖l—3—8上很明顯地可以看出來；此外，容積功、內(nèi)能和熱量的正負亦很容易判斷出來，現(xiàn)在以通過圖l—3—8中點且的各過程加以說明：容積功W的正負以經(jīng)過點A的定容線為界，P—v圖上的定容線右方各過程的W為正，左方各過程的W為負；

內(nèi)能變化量的正負以經(jīng)過點A的定溫線為界，因完全氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)，溫度升高，內(nèi)能增大，P—v圖上定溫線的右上方各過程和T—S圖定溫線的上方各過程是溫度增加的，因此為正值；反之，P—v圖上定溫線的左下方和T—S圖上定溫線的下方的溫度是降低的，為負值；熱量的正負以經(jīng)過點A的定熵線為界，P—V圖上定熵線的右上方和T—S圖上定熵線的右方各過程的q為正，反之，則q為負。例溫度為1100K，壓力為7.85bar的空氣，按的多變過程進行膨脹至外界大氣壓力，將這個過程表示在P—v圖和T—S圖上，并求膨脹終了的溫度，膨脹功及過程的熱量。設，外界大氣壓力為lbar。解終了的溫度為膨脹功為換熱量為圖1-3-7圖1-3-8圖1-3-9熱力學第二定律

一、循環(huán)的定義為了使連續(xù)做功成為可能，必須在工質膨脹做功之后，再經(jīng)歷某種壓縮過程使它恢復到初始狀態(tài)，以便重新進行膨脹做功的過程。這樣一來，工質就可以周而復始連續(xù)不斷地把熱量轉變?yōu)楣Α＿@種使工質經(jīng)歷一系列的狀態(tài)變化，又重新恢復到初始狀態(tài)的封閉過程，叫做熱力循環(huán)，或簡稱循環(huán)。

§4—1熱力循環(huán)二、循環(huán)的分類1、正向循環(huán)：把熱能轉變?yōu)闄C械能的循環(huán)循環(huán)所做的功為（圖l—4—1(a)）熱力學第一定律解析式應用于循環(huán)有即循環(huán)功是由循環(huán)熱即凈熱量轉變而來的正向循環(huán)在狀態(tài)圖上的特點是循環(huán)過程線按順時針方向進行的。一切熱力發(fā)動機循環(huán)都具有這個特點，所以又叫動力循環(huán)。為了表達循環(huán)對熱能利用的程度，通常把轉變?yōu)檠h(huán)功的熱量與工質由高溫熱源吸入的熱量之比作為衡量循環(huán)經(jīng)濟性的指標，稱為熱效率,以表示，即

循環(huán)的熱效率越大，表明熱能利用的程度越高，借助于圖1—4—1(b)可以很方便地用兩塊面積之比來表示熱效率：這是T—S圖的用處之一，在分析各種循環(huán)的經(jīng)濟性時，廣泛地被采用。2、逆向循環(huán)如圖l—4—1(a)所示，工質由狀態(tài)1沿A膨脹到2以后，如果沿較高的壓縮線恢復到初始狀態(tài)，則由過程曲線下所包圍的面積看出，壓縮過程所消耗的壓縮功為面積2C1432，它大于膨脹過程所得的膨脹功的面積，這表明循環(huán)的結果是工質消耗了循環(huán)功，并轉變?yōu)檠h(huán)熱排出。從圖1—4—l(b)所示的T—S圖上看出，在進行加熱過程之后，放熱過程線必須位于吸熱線之上，如圖1—4—1(b)中，所示，也就是必須向溫度較高的熱源，即高溫熱源排熱，在這一過程中工質把消耗的循環(huán)功所轉變的循環(huán)熱（）以及與從低溫熱源所吸入的熱量（）合并一道排給高溫熱源，其排熱量為面積。與正向循環(huán)相反，這一類循環(huán)在狀態(tài)圖上的特點是循環(huán)過程按逆時針方向進行的，所以叫做逆向循環(huán)。綜上所述，可知道循環(huán)需要耗費一定的功，并且把它轉變?yōu)闊崃浚@是這種循環(huán)得以實現(xiàn)的必要條件（或補充條件），如果這個條件不能滿足，企圖把熱量從低溫物體傳給高溫物體是不可能的。逆向循環(huán)主要用于制冷機和熱泵。制冷機是以冷藏庫為低溫熱源，而環(huán)境大氣作為高溫熱源。它消耗功，從溫度較低的冷藏庫或冰箱中抽出熱量，使其溫度下降，并將熱量排到溫度較高的大氣；熱泵是以環(huán)境大氣為低溫熱源，而將需要供暖的室內(nèi)作為高溫熱源，熱泵消耗了功：從大氣中吸取熱量，并排向溫度較高的室內(nèi)，提高室內(nèi)的溫度，以達到供暖的目的，若以代表從低溫熱源所吸人的熱量，代表向高溫熱源所放出的熱量，那么或衡量逆向循環(huán)的制冷機和熱泵的經(jīng)濟性指標分別是制冷系數(shù)及供暖系數(shù)：

3、可逆循環(huán)循環(huán)所經(jīng)歷的過程如果全部是可逆的，則叫做可逆循環(huán)，當然，可逆循環(huán)可以是正向的，也可以是逆向的。對于可逆循環(huán)來說，當工質經(jīng)歷一個正向可逆循環(huán)，再經(jīng)過一個與此相反的逆向可逆循環(huán)之后，將會得到：體系(工質)和外界(包括熱源、冷源及功源)都恢復到原來狀態(tài)，而不留下絲毫的改變。這是可逆循環(huán)所具有的重要性質。設工質在熱源與冷源之間進行一個正向可逆循環(huán)，如圖1—4—2中順時針實線箭頭所示，工質從熱源吸得熱量，向冷源排出熱量，把轉變?yōu)闄C械功輸出。之后同一可逆機再進行逆向可逆循環(huán)，如圖中逆時針虛線所示，其能量交換的數(shù)值與正向相同，只是方向相反，即從冷源取出的，同時把正向所做的功收回加給工質，并把它轉變?yōu)闊崃浚徊魉徒o熱源。其總結果是：工質、熱源、冷源和功源都全部恢復了原狀。第二章中在描述可逆過程特點時所提到的“體系和外界都恢復了原狀，不發(fā)生任何變化”。講的就是這么回事，它表明正向循環(huán)所進行的過程是可逆過程。4、不可逆循環(huán)循環(huán)所經(jīng)歷的過程如果部分是或全部是不可逆過程，就叫做不可逆循環(huán)。設工質在熱源與冷源之間進行一個正向不可逆循環(huán)，如圖1—4—3中實線箭頭所示。雖然從熱源吸得與(三)項中可逆正向循環(huán)(參看圖1—4—3)相同的熱量，但由于循環(huán)中存在不可逆性，致使循環(huán)所轉變的循環(huán)功，小于可逆的循環(huán)功,小于可逆的循環(huán)功,因而排給冷源的熱量必大于可逆循環(huán)的排熱量。§4—2熱力學第二定律各種說法一、開爾文——浦朗克說法不可能只與一個熱源接觸，由它供給熱量而連續(xù)不斷地以循環(huán)方式做出正功。開爾文——浦朗克說法本身表明了功變熱和熱變功是兩類不同性質的轉變過程，功變熱是能自發(fā)進行的，而熱變功則是有條件的，因而這就反映了自然界中自發(fā)過程進行的單向性，也就是說，一切自發(fā)過程都是不可逆的。

二、克勞修斯說法

不可能不付代價地把熱量從一個低溫物體傳給另一個高溫物體。表明了高溫物體向低溫物體傳遞熱量和低溫物體向高溫物體傳遞熱量是兩類不同性質的過程，高溫物體向低溫物體傳熱能自發(fā)進行，而低溫物體高向溫體傳熱則是有條件的，必須具備外界輸入功的這個條件，因而這也從不同角度反映了自發(fā)過程的單向性，所以也可以說，一切自發(fā)過程都是不可逆的。

圖1-4-1圖1-4-2圖1-4-3圖1—4—4圖1—4—5圖1—4—6圖1—4—7§4—3卡諾定理

卡諾定理主要討論在兩個定溫熱源之間工作的熱機熱效率大小問題。所謂定溫熱源是指具有溫度為T的熱源，當它吸收或放熱時本身保持溫度不變。在兩個定溫熱源之間，可以實現(xiàn)各種各樣的循環(huán)，是可逆的，也有不可逆的。即使是可逆的，所用的工質也可任意選擇。一、卡諾循環(huán)1、定義：在兩個定溫熱源之間工作可逆循環(huán)。2、卡諾循環(huán)的四個過程：圖1—4—8(a)、(b)

A—B——可逆的定溫膨脹過程(吸熱)；

B—C——可逆的絕熱膨脹過程；C—D——可逆的定溫壓縮過程(放熱)；

D—A——可逆的絕熱壓縮過程。3、卡諾循環(huán)的特點是：(1)它只有兩個溫度不同的定溫熱源；(2)它完全是可逆的。按照卡諾循環(huán)工作的熱機，通常叫作卡諾機。4、卡諾循環(huán)的熱效率（根據(jù)循環(huán)中的能量轉換關系推導如下）：

（1）定溫膨脹過程AB的吸熱量:

（a）

（2）定溫壓縮過程CD的放熱量

（b）

式中m—工作的質量——按完全氣體溫標表示的熱源溫度。

因為及均為定熵過程，分別應有

及

所以

或

（c）

(a)／(b)并將(c)代入，則有

上式說明，完全氣體卡諾循環(huán)的吸熱量及放熱量與用完全氣體溫標表示的吸熱溫度及放熱溫度成比例。所以工質為完全氣體的卡諾循環(huán)熱效率為：

上式說明：只要兩個定溫熱源的溫度確定，則工作于它們之間的卡諾循環(huán)的熱效率是相等的。5、幾個理論：(1)卡諾循環(huán)的熱效率決定于高溫熱源和低溫熱源的溫度，也就是工質在吸熱和放熱時的溫度，提高或降低

，均可以提高其熱效率。(2)卡諾循環(huán)的熱效率只能小于1，決不可能等于1，因

和都是不可能的。在循環(huán)發(fā)動機中，不可能將熱量全部轉功，必定有部分熱量轉移給低溫熱源。

（3）當時，循環(huán)的熱效率為零，這就是說，在溫度平衡的體系中，不可能使熱量轉換為功，單熱源做功的循環(huán)機器，是不可能造成的。換句話說，要想通過循環(huán)利用熱量來產(chǎn)生功，就，就一定要有溫度差的兩個熱源。

如果把卡諾循環(huán)沿相反方向(逆時針方向)進行，即按圖1—4—8(a)、(b)中ADCBA順序進行，就得到的逆向卡諾循環(huán)。這是一種理想的制冷或供暖的循環(huán)。其相應的制冷系數(shù)6、逆向卡諾循環(huán)及供暖系數(shù)

分別為(工質為完全氣體)：

二、卡諾定理卡諾定理的基本內(nèi)容是：在兩個定溫熱源之間工作的任何熱機的熱效率不可能大于在相同熱源之間工作的可逆機的熱效率。（證明過程略，請同學們自學）

卡諾機是在兩個定溫熱源之間工作的可逆機，在兩定溫熱源之間工作的任何熱機效率均不能大于卡諾機的熱效率。三、卡諾定理推論推論1：所有工作于兩個定溫熱源之間的可逆機熱效率皆相等，均等于卡諾機的效率，而且與工質的性質，吸收熱量和作功多少無關，只決定于兩個熱源的溫度。推論2：在兩個定溫源之間工作的不可逆熱機效率必小于可逆熱機的熱效率。由上述兩個推論可知，在兩個定溫熱源之間工作的所有熱機，以卡諾機的熱效率為最高。本次課小結本次課的主要內(nèi)容：1、卡諾循環(huán)的定義2、卡諾循環(huán)的熱效率3、卡諾定理及其推論作業(yè)：兩卡諾機A、B串聯(lián)工作，A熱機在627下得到熱量，對溫度為T的熱源放熱，B熱機從熱源T吸收A熱機的排熱，并向27的冷源放熱，在下述情況下計算溫度T。（1）二熱機輸出相等（2）二熱機效率相等圖1—4—8基本概念及氣體的基本性質

§1—1熱力學體系一、體系、外界在分析熱力學問題時，按研究任務的具體要求，選取一定范圍內(nèi)的物質作為研究對象，該研究對象叫做熱力學體系或簡稱體系。與體系發(fā)生作用，但不列為研究對象的物質，叫做外界。體系與外界間的界限，叫做分界面。分界面可以是真實的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是脹縮的或運動的。分界面實例：圖1—1—1表示封閉在氣缸中的氣體作為研究對象時，氣缸和活塞的內(nèi)壁面就是真實的分界面，而活塞頂部卻又是可以脹縮的或運動的分界面。圖1—1—2表示氣體不斷從截面1—1流進，在受到葉輪的作用下，壓力必升高，并不斷從截面2—2流出。若選取進、出口截面之間的氣體作為研究對象，那么進、出口截面1—1和2—2是假想的，固定的分界面，殼體的內(nèi)壁是真實的，固定的分界面。

三、體系的分類1、閉口體系體系和外界之間，可以有功的交換和熱量的交換，但沒有物質交換，這種體系叫閉口體系。閉口體系的質量保持恒定，所以閉口體系又叫控制體系。（圖1—1—1所示）2、開口體系體系和外界之間，不僅可以有功的交換和熱量的交換，而且還有物質的交換，這種體系叫開口體系，開口體系中能量的交換和物質的交換是在某劃定的空間范圍內(nèi)進行的，所以開口體系又叫做控制容積或控制體。（圖1—1—2所示）3、絕熱體系若體系和外界之間沒有熱量交換，則叫做絕熱體系。4、孤立體系若體系與外界之間，既沒有功和熱量的交換，又沒有物質的交換，則叫做孤立體系。

§1—2熱力學狀態(tài)平衡狀態(tài)

一、熱力學狀態(tài)（狀態(tài)）在某一指定的瞬間，熱力學體系所處的宏觀物理狀態(tài)，或者是熱力學體系所具有的物理特性的總標志。二、狀態(tài)參數(shù)描述體系狀態(tài)的物理量，叫做狀態(tài)參數(shù)。如溫度、壓力等。

三、平衡狀態(tài)閉口體系在沒有外界影響的條件下，如果體系各部分的狀態(tài)不隨時間而改變，即體系宏觀性質的物理量，例如壓力和溫度等，在任意兩個瞬時比較，其結果是一樣的，那么該體系就是處于熱力平衡狀態(tài)，或簡稱平衡狀態(tài)，否則就叫做不平衡狀態(tài)。（如圖1—1—1）平衡狀態(tài)是動態(tài)平衡，平衡狀態(tài)必須滿足的條件是熱平衡、力平衡和化學平衡。

§1—3單位制

為了得到熱力學準確的計算數(shù)據(jù)，弄清楚各個物理量的單位是很重要的。由于各個物理量之間存在著一定的關系，所以把某些量作為基本量，并規(guī)定某一單位作為基本單位。而其余的物理量作為導出量，其所具有的單位，則稱之為導出單位。顧名思義，導出量是根據(jù)物理定律從基本量推導出來的，導出單位也就可以由基本單位的相乘、相除的形式所構成，國際上正在推廣和采用的國際單位制，簡稱國際制或SI制。

國際單位制單位和工程制單位兩種單位制的單位間的換算關系，可根據(jù)千克力的定義并按牛頓第二運動定律導出為：本次課小結本課程的重要性研究的主要內(nèi)容基本概念的掌握熱力學體系、狀態(tài)、平衡狀態(tài)的定義及其滿足的條件、兩種單位制的換算圖1-1-1圖1-1-1圖1—1—2

氣體的基本狀態(tài)參數(shù)氣體狀態(tài)參數(shù)的特性介紹氣體基本狀態(tài)參數(shù)及其特性氣體基本狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)的特性2/4§1—4氣體的基本狀態(tài)參數(shù)

一、比容、密度和重度單位質量的物質所占有的體積，叫做比容，以符號ν表示，若質量為m的物質占有的體積為V，則其比容為單位體積內(nèi)含有物質的質量，叫做密度，以符號ρ表示。若質量為m(kg)的物質占有的體積為V(m)，則其密度ρ為

根據(jù)比容及密度的定義式，可知比容和密度互為倒數(shù)。即由于密度的大小說明物質分子的密集和松散程度，因此比容的大小也是說明氣體分子的疏密程度。

單位體積內(nèi)含有物質的重量，叫做重度，以符號γ表示。質量為m(kg)的物質其重量為mg，若其占有的體積為V，則其重度γ為

γ=比容、密度和重度都是說明物質在某一狀態(tài)的分子疏密程度，所以它們實質上是一個說明、物質物理性質的參數(shù)。三者的關系為例容積為60L的氧氣瓶內(nèi)，盛氧氣0.8L，求氧氣的比容和重度。解：因為故那么v==

=0.075m

那么γ===130.8N/m

例空氣在某一狀態(tài)下的重度為，求它的比容和密度。已知重力加速度。解：二、壓力或壓強1、壓力的定義垂直作用在單位面積上的力，叫做壓力或壓強，以符號P表示。氣體的壓力乃是氣體分于作無規(guī)則運動時頻繁地撞擊容器內(nèi)壁的平均總結果。2、氣體壓力氣體的分子運動論指出氣體作用于容器壁上的壓力為

P=n·式中P——力；

n——分子濃度，即單位容積的分子數(shù)；

——分子的平均移動動能；

m——分子的質量；

ω——分子的均方根移動速度，由下式求得

ω== 其中ω

，ω……ω

表示各個分子的移動速度

上式說明氣體的壓力在數(shù)值上等于單位容積內(nèi)氣體分子平均移動動能的三分之二。若氣體作用于器壁面積A上的垂直作用力為F，則該壁面上的壓力為

P=3、幾個壓力單位的換算壓力的單位是帕斯卡，簡稱帕，以符號Pa表示，采用帕(Pa)作為壓力的單位，在工程實用上顯得太小，而數(shù)值太大，所以實際上采用千帕(KPa)或兆帕(MPa)作為壓力的實用單位，它們與帕(Pa)的關系為此外，暫時與國際單位制壓力單位并用的壓力單位還有：巴(bar)1bar=10Pa=0．1MPa4、液柱高度壓力的大小有時用汞柱或水柱的高度表示。如圖(1—1—3)所示，設液注的截面積為A，高度為Z，液體的密度為ρ，則作用于底面積A上的總作用力F應為該液柱的重量，即則由于液體的密度ρ為定值，所以液柱的高度與壓力成正比，因此用液柱的高度就可以代表壓力的大小。5、物理大氣壓或標準大氣壓它是在緯度為45°，大氣溫度為0℃的海平面上的大氣常年平均壓力，通過氣壓計測定1個物理大氣壓為760毫米汞柱高，即

1atm=760mmHg若把物理大氣壓換算成SI制中常用的單位，即得1atm=760×133.32=101325N／m=1.01325bar6、工程大氣壓或大氣壓工程制中力的單位為千克，面積的單位為平方米，于是壓力的單位是千克每平方米()。在工程實用上這個單位亦顯得太小，所以取千克每平方厘米（）作為實際應用的單位，顯而易見

1=101at=0.98bar=735.6mmHg=0.968atm7、液柱高度表示的壓力在熱力學中描寫氣體的狀態(tài)時，壓力應是氣體的真實壓力或絕對壓力；它的數(shù)值不能用測量儀表直接測得，而是根據(jù)力學平衡的概念利用氣壓計與壓力表或U形管兩者綜合求得。如果氣體的絕對壓力P

高于大氣壓力，如圖1—1—4a所示，則

P=B+P

式中B——氣壓計測出的當?shù)卮髿鈮毫Γ籐——用液柱測出或用彈簧管式的壓力表測出：它是容器內(nèi)的氣體壓力高于當?shù)卮髿鈮毫Φ臄?shù)值，所以叫做表壓力或超出壓力，在圖1—1—4a中，如果氣體的絕對壓力P由低于大氣壓力，如圖1—1—4b所示，則

式中B——氣壓計測出的當?shù)卮髿鈮毫Γ?/p>

——用液柱測或儀表測出的氣體壓力；

是容器內(nèi)的壓力低于當?shù)卮髿鈮毫Φ臄?shù)值，其值越大，則氣體的絕對壓力越小，亦即越接近真空，所以叫為真空度，測定真空度的儀表叫做真空表。在圖1—1—4b中上述的，B，，，的關系可用圖1—1—5表示。在某一確定的狀態(tài)下，氣體的絕對壓力保持不變，但是由于外界環(huán)境的變化，例如氣候的突變，氣壓計的讀數(shù)將發(fā)生變化，因此亦將發(fā)生變化；所以不是單值地與此確定狀態(tài)對應，因而它不是一個狀態(tài)參數(shù)，這可由圖1—1—6看出。例用U形管測出某實驗設備的出口壓力是0．5mHg,而實驗室內(nèi)的氣壓計讀數(shù)為750mmHg，求該實驗設備的出口絕對壓力是多少?

解：利用式(1—1—13)得實驗設備的出口絕對壓力是

=750+0.5×1000=1250mmHg=1250×133.3=1.667×10Pa=1.67bar例1—1—4，氧氣瓶上安裝的壓力表指示的壓力為47.5bar，這時氣壓計上的讀數(shù)為755mmHg,求瓶內(nèi)氧氣韻絕對壓力是多少?解：氣壓計上的